特開 2022-168935 アンモニア分解装置及び水素ガス製造システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022168935

(43)【公開日】2022-11-09

(54)【発明の名称】アンモニア分解装置及び水素ガス製造システム

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/04 20060101AFI20221101BHJP

   C01B 3/56 20060101ALI20221101BHJP

   H01M 8/0656 20160101ALI20221101BHJP

【ＦＩ】

C01B3/04 B

C01B3/56 Z

H01M8/0656

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021074632

(22)【出願日】2021-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100067828

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 悦司

(74)【代理人】

【識別番号】100137143

【弁理士】

【氏名又は名称】玉串 幸久

(72)【発明者】

【氏名】大園 知宏

(72)【発明者】

【氏名】小林 祐之輔

(72)【発明者】

【氏名】足立 成人

(72)【発明者】

【氏名】佐成 弘毅

(72)【発明者】

【氏名】神原 信志

(72)【発明者】

【氏名】早川 幸男

【テーマコード（参考）】

4G140

5H127

【Ｆターム（参考）】

4G140FA02

4G140FB06

4G140FC01

5H127BA01

5H127BA11

5H127EE12

(57)【要約】

【課題】より高純度の水素ガスを回収する。
【解決手段】アンモニア分解装置４は、電極板１０と、絶縁板２０と、アンモニアガスを含むガスの流路が形成され、電極板１０への電圧の印加によって発生したプラズマによりアンモニアガスＧ０を水素ガスＧ２に分解するアンモニア処理部４０と、水素ガスＧ２を選択的に透過可能な水素ガス透過膜５０と、水素ガス透過膜５０の背面側に位置する背面部材６２と、背面部材６２の外周面の外側に設けられており水素ガス透過膜５０を迂回して背面部材６２に流入するガスを抑制するメタルガスケット６４と、を備える。
【選択図】図２Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プラズマによりアンモニアガスを分解するアンモニア分解装置であって、
交流電源が接続された電極板と、
前記電極板に当接する絶縁板と、
前記絶縁板に当接すると共に前記アンモニアガスを含むガスの流路が形成され、前記電極板への電圧の印加によって前記流路内に発生したプラズマにより前記アンモニアガスを水素ガスに分解するアンモニア処理部と、
前記流路を流れるガスのうち前記水素ガスを選択的に透過可能な水素ガス透過膜と、
前記水素ガス透過膜のうち前記流路に対向する部分の背面側に位置し、前記水素ガスが通過可能な背面部材と、
前記背面部材の外側で、前記アンモニア処理部との間に前記水素ガス透過膜の外縁部を挟持し、前記アンモニア処理部から前記水素ガス透過膜を迂回して流れるガスの前記背面部材への流入を抑制するメタルガスケットと、
前記アンモニア処理部と、前記水素ガス透過膜と、前記背面部材と、前記メタルガスケットとを収容する収容部と、
前記押さえ部材を通過した前記水素ガスを回収する回収部と、を備える、アンモニア分解装置。

【請求項2】

前記メタルガスケットと前記水素ガス透過膜の間に、液状パッキンまたはグリースが位置している、請求項１に記載のアンモニア分解装置。

【請求項3】

前記収容部内に、前記メタルガスケットと前記収容部との間の隙間を塞ぐＯリング、液状パッキンまたはグリースが位置している、請求項１または請求項２に記載のアンモニア分解装置。

【請求項4】

前記背面部材は、前記水素ガス透過膜の一方の面に当接する押さえ面を有する多孔質部により構成されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアンモニア分解装置。

【請求項5】

前記絶縁板は、セラミックスで形成されると共に、前記電極板を内部に保持する、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアンモニア分解装置。

【請求項6】

アンモニア供給源からアンモニアガスを受け入れ、触媒又はプラズマによりアンモニアガスを分解して水素ガスを生成する第１アンモニア分解装置と、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアンモニア分解装置であって、前記第１アンモニア分解装置から排出されたアンモニアガスおよび水素ガスを含む混合ガスを受け入れ、アンモニアガスを分解して水素ガスをさらに生成するとともに水素ガスを回収する第２アンモニア分解装置と、を備える、水素ガス製造システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンモニア分解装置及び水素ガス製造システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、特許文献１に記載されているように、プラズマによりアンモニアを水素ガスと窒素ガスに分解する装置が知られている。

【0003】

特許文献１には、水素生成装置を備えた燃料電池システムが記載されている。この水素生成装置は、原料ガス流路が形成された誘電体と、誘電体の裏面に対向するように配置された電極と、原料ガス流路の開口部を閉鎖する水素分離膜と、水素分離膜と燃料電池セルの燃料極との間に配置された枠状のスペーサとを備えている。この装置では、誘電体の原料ガス流路で誘電体バリア放電を発生させることによりアンモニアが大気圧非平衡プラズマとなり、当該大気圧非平衡プラズマから水素が発生する。そして、発生した水素が水素分離膜の中を拡散しながら通過して燃料電池セルの燃料極側の空間に到達する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－１２５０６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１における水素生成装置では、原料ガスのプラズマ化によって発生した水素ガスが、水素分離膜の一方の側から他方の側に導出される際に、原料ガスに含まれていた水素ガスもしくは水素ガスと同時に発生した水素ガス以外のガスが分離膜外周部から径方向に向かって漏れ込むことによって水素ガスの純度が下がるという課題がある。

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高純度の水素ガスを回収することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記の目的を達成するため、本発明に係るアンモニア分解装置は、プラズマによりアンモニアガスを分解するアンモニア分解装置であって、交流電源が接続された電極板と、前記電極板に当接する絶縁板と、前記絶縁板に当接すると共に前記アンモニアガスを含むガスの流路が形成され、前記電極板への電圧の印加によって前記流路内に発生したプラズマにより前記アンモニアガスを水素ガスに分解するアンモニア処理部と、前記流路を流れるガスのうち前記水素ガスを選択的に透過可能な水素ガス透過膜と、前記水素ガス透過膜のうち前記流路に対向する部分の背面側に位置し、前記水素ガスが通過可能な背面部材と、前記背面部材の外側で、前記アンモニア処理部との間に前記水素ガス透過膜の外縁部を挟持し、前記アンモニア処理部から前記水素ガス透過膜を迂回して流れるガスの前記背面部材への流入を抑制するメタルガスケットと、前記アンモニア処理部と、前記水素ガス透過膜と、前記背面部材と、前記メタルガスケットとを収容する収容部と、前記押さえ部材を通過した前記水素ガスを回収する回収部と、を備える。

【0008】

このように構成されたアンモニア分解装置によれば、アンモニア処理部から水素ガス透過膜を迂回して流れるガスが背面部材へ流入することを抑制することができる。これにより、水素ガス透過膜を通過した水素ガスに、水素ガス透過膜を迂回して流入したガスが混入することを抑制できるため、より高純度の水素ガスを回収することができる。

【0009】

前記アンモニア分解装置は、前記メタルガスケットと前記水素ガス透過膜の間に、液状パッキンまたはグリースが位置していてもよい。

【0010】

この態様では、液状パッキンまたはグリースによって、メタルガスケットと水素ガス透過膜の隙間から背面部材へのガスの漏出が抑制されるため、メタルガスケットのシール性を向上できる。

【0011】

前記アンモニア分解装置は、前記収容部内に、前記メタルガスケットと前記収容部との間の隙間を塞ぐＯリング、液状パッキンまたはグリースが位置していてもよい。

【0012】

この態様では、Ｏリング、液状パッキンまたはグリースによって、メタルガスケットと収容部の隙間が塞がれるため、背面部材へのガスの漏出は抑制される。したがって、メタルガスケットのシール性を向上できる。

【0013】

前記背面部材は、前記水素ガス透過膜の一方の面に当接する押さえ面を有する多孔質部により構成されていてもよい。

【0014】

この態様では、背面部材を構成する多孔質部材が押さえ面を有しており、水素ガス透過膜のうちアンモニア処理部の流路に対向する部分を背面側から押さえることにより、水素ガスの通過に伴う水素分離膜の変形を抑制できる。これにより、水素分離膜が破れることを抑制しながら、水素分離膜に水素ガスを通過させることができる。

【0015】

前記絶縁板は、セラミックスで形成されていてもよく、前記電極板を内部に保持していてもよい。これにより、電極版の周囲における絶縁性をより確実に確保することができる。

【0016】

本発明に係る水素ガス製造システムは、アンモニア供給源からアンモニアガスを受け入れ、触媒又はプラズマによりアンモニアガスを分解して水素ガスを生成する第１アンモニア分解装置と、前記アンモニア分解装置であって、前記第１アンモニア分解装置から排出されたアンモニアガスおよび水素ガスを含む混合ガスを受け入れ、アンモニアガスを分解して水素ガスをさらに生成するとともに水素ガスを回収する第２アンモニア分解装置と、を備える。

【0017】

このように構成された水素ガス製造システムによれば、第１アンモニア分解装置にて触媒反応又はプラズマ分解によりアンモニアガスを分解し、その後、第２アンモニア分解装置にて、第１アンモニア分解装置から排出された混合ガスをプラズマ分解することができる。これにより、アンモニアガスの処理量を確保すると共に、水素ガスの純度を高めることができる

【発明の効果】

【0018】

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、より高純度の水素ガスを回収できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態１に係る水素ガス製造システムの構成を模式的に示す図である。

【図2A】本発明の実施形態１に係るアンモニア分解装置の構成を模式的に示す縦断面図である。

【図2B】図２Ａの領域ＩＩＢにおける拡大図である。

【図3】本発明の実施形態１におけるアンモニア処理部の構成を模式的に示す平面図である。

【図4】図３中の領域ＩＶにおける拡大図である。

【図5】図４中の線分Ｖ－Ｖに沿った断面図である。

【図6】本発明の実施形態２に係るアンモニア分解装置の構成を模式的に示す縦断面図である。

【図7】本発明の実施形態２に係るアンモニア分解装置における水素ガスの流れを説明するための模式図である。

【図8】本発明の実施形態３に係るアンモニア分解装置の構成を模式的に示す縦断面図である。

【図9】本発明の実施形態４におけるアンモニア処理部の構成を模式的に示す平面図である。

【図10】本発明のその他実施形態を説明するための模式図である。

【図11】本発明のその他実施形態を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。文中で「上」、「下」及び「左」、「右」といった方向指標が用いられるが、これらの方向指標は説明の明瞭化のみを目的としており、限定的に解釈されるべきでない。

【0021】

（実施形態１）
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るアンモニア分解装置及び水素ガス製造システムを詳細に説明する。

【0022】

まず、本発明の実施形態１に係る水素ガス製造システム１００の構成を、図１に基づいて説明する。水素ガス製造システム１００は、アンモニアガスＧ０を原料ガスとして水素ガスＧ２を製造するものである。水素ガスＧ２の用途としては、例えば燃料電池が挙げられるが、これに限定されない。図１に示すように、水素ガス製造システム１００は、第１アンモニア分解装置４と、第２アンモニア分解装置１とを主に備える。

【0023】

第１アンモニア分解装置４は、アンモニア供給源９からアンモニアガスＧ０を受け入れ、触媒によりアンモニアガスＧ０を分解して水素ガス及び窒素ガスを生成するものである。第１アンモニア分解装置４は、第１ガス供給ライン５を介してアンモニア供給源９に接続されると共に、第２ガス供給ライン６を介して第２アンモニア分解装置１に接続されている。未分解のアンモニアガス、水素ガス及び窒素ガスを含む混合ガスＧ１が第１アンモニア分解装置４から排出され、第２ガス供給ライン６を介して第２アンモニア分解装置１に供給される。

【0024】

第２アンモニア分解装置１は、第１アンモニア分解装置４から排出された混合ガスＧ１
を受け入れ、アンモニアガスを分解して水素ガスＧ２をさらに生成するとともに水素ガスＧ２を回収するものである。以下、第２アンモニア分解装置１（単に「アンモニア分解装置１」とも称する）の構成を詳細に説明する。

【0025】

アンモニア分解装置１は、プラズマによりアンモニアガスを水素ガスと窒素ガスに分解するものである。図２Ａは、アンモニア分解装置１の縦断面図である。図２Ａに示すように、アンモニア分解装置１は、電極板１０と、絶縁板２０と、フランジ３０と、アンモニア処理部４０と、水素ガス透過膜５０と、背面部材６２と、メタルガスケット６４と、グリース８０と、回収部７０とを主に備える。

【0026】

電極板１０は、単一の板部材からなり、交流電源１１に電気的に接続されている。絶縁板２０は、例えばＡｌ２Ｏ３等のセラミックス（絶縁材料）で形成された板であり、上面２２及び下面２１を含む。絶縁板２０は、電極板１０に当接しており、本実施形態では、電極板１０を内部に保持する。換言すると、電極板１０は、絶縁板２０の内部に埋め込まれており、当該電極板１０の周囲全体が絶縁板２０によって電気的に絶縁されている。図２Ａに示すように、電極板１０は、上面２２及び下面２１と平行であり、径方向において絶縁板２０の略中央に埋め込まれている。なお、絶縁板２０は、セラミックス以外の絶縁材料からなるものでもよい。

【0027】

絶縁板２０には、アンモニア処理部４０に供給される混合ガスＧ１が流れる供給流路２３が当該絶縁板２０を厚さ方向に貫通するように形成されており、アンモニア処理部４０から排出されるガスが流れる排出流路２４が当該絶縁板２０を厚さ方向に貫通するように形成されている。図２Ａに示すように、電極板１０は、絶縁板２０の径方向において供給流路２３と排出流路２４との間に位置している。

【0028】

フランジ３０は、絶縁板２０を挟持するものであり、上フランジ３１と、下フランジ３２とを含む。上フランジ３１及び下フランジ３２は、いずれもＳＵＳ製の板であり、絶縁板２０よりも直径が小さい。絶縁板２０は、上フランジ３１と下フランジ３２とによって厚さ方向に挟持されている。

【0029】

上フランジ３１は、絶縁板２０の上面２２に当接する内面３１Ａと、当該内面３１Ａと反対側を向く外面３１Ｂとを含む。内面３１Ａには、外面３１Ｂ側に凹む環状溝が複数形成されており、Ｏ（オー）リング等のシール部材３３が当該環状溝内に装着されている。これにより、絶縁板２０の上面２２と上フランジ３１の内面３１Ａとの間の気密性が確保されている。

【0030】

上フランジ３１には、アンモニア処理部４０に供給される混合ガスＧ１が流れる供給流路３６が当該上フランジ３１を厚さ方向に貫通するように形成されており、アンモニア処理部４０から排出されるガスが流れる排出流路３７が当該上フランジ３１を厚さ方向に貫通するように形成されている。図２Ａに示すように、上フランジ３１の供給流路３６は、シール部材３３が収容される環状溝の間に形成されており、絶縁板２０の供給流路２３に連通している。同様に、上フランジ３１の排出流路３７は、シール部材３３が収容される環状溝の間に形成されており、絶縁板２０の排出流路２４に連通している。供給流路３６が外面３１Ｂ側に開放された部分がガス入口３６Ａとなっており、排出流路３７が外面３１Ｂ側に開放された部分がガス出口３７Ａとなっている。

【0031】

下フランジ３２は、絶縁板２０の下面２１に当接する内面３２Ａと、当該内面３２Ａと反対側を向く外面３２Ｂとを含む。上フランジ３１と同様に、内面３２Ａには、外面３２Ｂ側に凹む環状溝が形成されており、Ｏ（オー）リング等のシール部材３４が当該環状溝内に装着されている。これにより、絶縁板２０の下面２１と下フランジ３２の内面３２Ａとの間の気密性が確保されている。本実施形態では下フランジ３２が接地（グラウンド）されているが、接地する箇所はこれに限定されない。

【0032】

下フランジ３２には、内面３２Ａから外面３２Ｂ側に凹む空間である大径溝３５と、当該大径溝３５に連通すると共に大径溝３５よりも小径の空間である小径溝３５Ａとが形成されている。小径溝３５Ａは、大径溝３５と同心状で且つ大径溝３５よりも外面３２Ｂ側に形成されている。また大径溝３５及び小径溝３５Ａは、いずれもシール部材３４が収容される環状溝よりも径方向内側に形成されている。

【0033】

図２Ａに示すように、大径溝３５には、アンモニア処理部４０、水素ガス透過膜５０及び背面部材６２が上から順に重なった状態で収容されている。背面部材６２の外周面の外側には、背面部材６２の外周面（側面）全体を覆うように形成された環状のメタルガスケット６４が設けられている。メタルガスケット６４は、アンモニア処理部４０の外縁部との間で水素ガス透過膜５０を挟持するようにして構成されている。大径溝３５の内径は、メタルガスケット６４の外径と略同じであり、メタルガスケット６４の外周面は大径溝３５の内周面に対向するように形成されている大径溝３５が形成された下フランジ３２は、アンモニア処理部４０、水素ガス透過膜５０、背面部材６２及びメタルガスケット６４を収容する収容部として機能する。

【0034】

下フランジ３２には、大径溝３５の内面と小径溝３５Ａの内面とを繋ぐ段差面３９が設けられている。段差面３９は内面３２Ａ及び外面３２Ｂと平行な環状の平面であり、背面部材６２外周部及びメタルガスケット６４が当該段差面３９上に載置されている。

【0035】

図２Ａ内の領域ＩＩＢを拡大して示す図２Ｂに示すように、段差面３９には、外面３２Ｂ側に凹む環状溝が形成されており、Ｏ（オー）リング等のシール部材３８が当該環状溝内に装着されている。シール部材３８は、メタルガスケット６４に密着しており、これにより、メタルガスケット６４の下面と段差面３９との間の気密性が確保されている。

【0036】

さらに、水素ガス透過膜５０の外縁部の下面とメタルガスケット６４の上面との間には、全周に亘ってグリース８０が設けられており、水素ガス透過膜５０の外縁部の下面とメタルガスケット６４の上面との間の気密性が確保されている。シール部材３８及びグリース８０により、アンモニアガスが水素ガス透過膜５０の外周側から回り込んで後述の回収部７０側へ漏れるのを抑制することができる。

【0037】

アンモニア処理部４０は、絶縁板２０の下面２１に当接すると共にアンモニアガスの流路Ｒ１が形成されたものである。アンモニア処理部４０は、電極板１０への電圧の印加によって流路Ｒ１内に発生したプラズマによりアンモニアガスを水素ガスと窒素ガスに分解する。アンモニア処理部４０は、例えばＳＵＳ等からなる厚さ１ｍｍ～２ｍｍ程度の金属板であり、絶縁板２０の下面２１に当接する上面４０Ａと、水素ガス透過膜５０に当接する下面４０Ｂとを含む。

【0038】

ここで、アンモニア処理部４０の詳細な構成を、図３～図５に基づいて説明する。図３は、アンモニア処理部４０の平面図である。図４は、図３中の領域ＩＶにおける拡大図である。図５は、図４中の線分Ｖ－Ｖに沿った断面図である。

【0039】

図３に示すように、アンモニアガスの流路Ｒ１は、ガス入口４３とガス出口４４とを繋ように形成されており、複数の貫通部４１と複数の非貫通部４２とを含む蛇行形状を有する。具体的には、貫通部４１と非貫通部４２が流路Ｒ１に沿って交互に形成されており、非貫通部４２が流路Ｒ１の各屈曲部に設けられている。流路Ｒ１は、例えばエッチング処理、レーザ加工又は切削等の手法により形成されている。

【0040】

ガス入口４３は、平面視半円形を有し、絶縁板２０の供給流路２３（図２Ａ）に連通している。ガス出口４４は、ガス入口４３と反対向きの平面視半円形を有し、絶縁板２０の排出流路２４（図２Ａ）に連通している。貫通部４１は、平面視長方形を有し、当該貫通部４１の長さ方向に直交する方向（図３の横方向）に所定間隔を空けて複数形成されている。非貫通部４２は、隣接する貫通部４１の間に形成されている。

【0041】

ガス入口４３、ガス出口４４及び貫通部４１は、いずれも金属板を厚さ方向に貫通するように形成されている。換言すると、ガス入口４３、ガス出口４４及び貫通部４１は、アンモニア処理部４０の上面４０Ａ側及び下面４０Ｂ側（図２Ａ）のいずれにも開放されている。

【0042】

一方、非貫通部４２は、金属板を厚さ方向に貫通せず、厚さ方向の一部を残すように当該金属板を加工することによって形成されている。具体的には、図５に示すように、非貫通部４２には、金属板の薄肉部４２Ａが残されている。このため、非貫通部４２は、アンモニア処理部４０の上面４０Ａ側に開放される一方、下面４０Ｂ側には開放されていない。

【0043】

アンモニア処理部４０は、プレート本体４６と、複数の櫛部４５とを含む。図３に示すように、櫛部４５は、貫通部４１に平行な平面視長方形を有し、隣接する貫通部４１の間に設けられている。櫛部４５は、プレート本体４６に直接繋がる基端４５Ｂと、薄肉部４２Ａ（図５）を介してプレート本体４６に繋がる先端４５Ａとを含む。

【0044】

水素ガス透過膜５０（図２Ａ）は、流路Ｒ１を流れるガスのうち水素ガスＧ２を選択的に透過可能なものであり、アンモニア処理部４０の下面４０Ｂに張り付けられている。水素ガス透過膜５０は、例えばＰｄ－Ｃｕ合金等からなり、流路Ｒ１の全体を覆う薄い金属箔である（図３中の一点鎖線）。図２Ａに示すように、水素ガス透過膜５０は、流路Ｒ１に対向する部分５１（ガス入口４３、ガス出口４４及び貫通部４１を下面４０Ｂ側から塞ぐ部分）を含む。水素ガス透過膜５０は、膜厚１０μｍ～１００μｍ程度に圧延された金属薄膜である。

【0045】

背面部材６２は、水素ガス透過膜５０のうち流路Ｒ１に対向する部分５１を当該流路Ｒ１と反対の背面側から押さえる押さえ面６１を有し、水素ガスＧ２が通過可能なものである。押さえ面６１は、水素ガス透過膜５０の下面（アンモニア処理部４０と反対側の面）全体に面接触し、当該下面全体を略均等な力で上向きに押さえる。背面部材６２には、平板状の多孔質部材が採用され、例えば、メッシュ状に加工された樹脂若しくは金属、パンチングメタル、多孔質金属又は多孔質セラミックス（例えば多孔質アルミナ）等を採用することができる。背面部材６２が設けられることで、水素ガス透過膜５０の強度が保たれる。メタルガスケット６４は、厚さ１ｍｍ～１０ｍｍ程度の水素ガスＧ２が透過しない緻密な金属部材（非多孔質部材）である。

【0046】

背面部材６２とメタルガスケット６４とから構成された部材は、アンモニア処理部４０と略同径の板であり、平面視において流路Ｒ１の全体を覆う大きさを有する。すなわち、背面部材６２の押さえ面６１及びメタルガスケット６４の上面は、水素ガス透過膜５０を挟んで流路Ｒ１の全体（ガス入口４３、ガス出口４４、貫通部４１及び非貫通部４２を含む領域）と対向する。このため、背面部材６２の押さえ面６１及びメタルガスケット６４の上面は、水素ガス透過膜５０のうち流路Ｒ１に対向する部分５１の全体を、当該流路Ｒ１と反対の背面側から押さえる。なお、図２Ａに示すように、背面部材６２よりも下側には、隙間（小径溝３５Ａ）が空いた状態となる。

【0047】

回収部７０は、背面部材６２を通過した水素ガスＧ２を回収する部分である。図２Ａに示すように、回収部７０は、下フランジ３２の下側中央部に形成された貫通孔であり、小径溝３５Ａに連通している。

【0048】

次に、水素ガス製造システム１００による水素ガスＧ２の製造プロセスを説明する。

【0049】

図１に示すように、まず、アンモニア供給源９から第１ガス供給ライン５を介して第１アンモニア分解装置４にアンモニアガスＧ０が供給される。第１アンモニア分解装置４では、触媒反応によりアンモニアガスＧ０の一部が水素ガスと窒素ガスに分解される。そして、水素ガス、窒素ガス及び未分解のアンモニアガスを含む混合ガスＧ１が、第２ガス供給ライン６を介して第２アンモニア分解装置１に供給される。

【0050】

図２Ａに示すように、混合ガスＧ１は、ガス入口３６Ａからアンモニア分解装置１内に流入し、上フランジ３１の供給流路３６及び絶縁板２０の供給流路２３を順に流れた後、アンモニア処理部４０内に供給される。混合ガスＧ１は、ガス入口４３（図３）から流路Ｒ１内に流入し、ガス出口４４に向かって流路Ｒ１内を蛇行しつつ流れる。

【0051】

一方、交流電源１１（図２Ａ）から電極板１０に所定の電圧を印加することにより、流路Ｒ１内（電極板１０と水素ガス透過膜５０との間）にプラズマが発生する。このプラズマによって、混合ガスＧ１に含まれるアンモニアガスが水素ガスＧ２と窒素ガスに分解される。水素ガスＧ２の分圧は、例えば大気圧程度である。そして、流路Ｒ１を流れるガスのうち水素ガスＧ２のみが水素ガス透過膜５０を透過し、さらに背面部材６２を通過した後、回収部７０からアンモニア分解装置１の外へ取り出される。一方、窒素ガス及び未分解のアンモニアガスは、ガス出口４４（図３）からアンモニア処理部４０の外へ流出し、絶縁板２０の排出流路２４（図２Ａ）及び上フランジ３１の排出流路３７を順に流れた後、ガス出口３７Ａからアンモニア分解装置１の外へ取り出される（ガスＧ３）。

【0052】

次に、アンモニア分解装置１の効果について説明する。

【0053】

上述の通り、アンモニア処理部４０でのプラズマ分解により発生した水素ガスＧ２は、水素ガス透過膜５０を透過してアンモニア分解装置１の外へ取り出される。このとき、混合ガスＧ１の一部が、水素ガス透過膜５０の径方向外側を通って漏れ出し、背面部材６２に流入することが懸念される。これに対し、本実施形態に係るアンモニア分解装置１では、メタルガスケット６４によって水素ガス透過膜５０と下フランジ３２の段差面３９の間を塞ぎ、シール部材３８によってメタルガスケット６４と下フランジ３２の間を塞ぎ、グリース８０によって水素ガス透過膜５０とメタルガスケット６４の間を塞いでいる。このため、混合ガスＧ１が、アンモニア処理部４０から水素ガス透過膜５０の径方向外側を通って、背面部材６２側に漏れ出すことを抑制できる。これにより、水素ガス透過膜５０を通過した水素ガスＧ２に、水素ガス透過膜５０を迂回して流入した混合ガスＧ１が混入することを抑制できるため、より高純度の水素ガスＧ２を回収できる。

【0054】

なお、水素ガス透過膜５０の外縁部の下面とメタルガスケット６４の上面との間には、全周に亘ってグリース８０が設けられているが、これに代えて、気密性を確保するための液状パッキンが設けられていてもよい。

【0055】

また、段差面３９上には環状溝及びシール部材３８が設けれているが、これに代えて、段差面３９とメタルガスケット６４の下面との間に、気密性を確保するためのグリースまたは液状パッキンが設けられていてもよい。

【0056】

また、図１に示す水素ガス製造システム１００は、第１アンモニア分解装置４が触媒反応によりアンモニアガスの分解を行う構成となっているが、これに代えて、第１アンモニア分解装置４が、プラズマによりアンモニアガスを分解するように構成されていてもよい。この場合、アンモニア供給源９から供給されたアンモニアガスＧ０は、第１アンモニア分解装置４によってプラズマ分解されて混合ガスＧ１となり、第２ガス供給ライン６を介して第２アンモニア分解装置１に供給される。この場合、第１アンモニア分解装置４は、第２アンモニア分解装置１と同様に構成されてもよい。

【0057】

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係るアンモニア分解装置２の構成を、図６及び図７に基づいて説明する。実施形態２に係るアンモニア分解装置２は、基本的に実施形態１に係るアンモニア分解装置１と同様の構成を備え且つ同様の効果を奏するものであるが、背面部材６２の構成において異なっている。以下、実施形態１と異なる点についてのみ説明する。なお、図６及び図７において、実施形態１に対応する構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。

【0058】

図６に示すように、実施形態２に係るアンモニア分解装置２は、水素ガス透過膜５０と反対側から背面部材６２を支持する弾性部材６３をさらに備えている。弾性部材６３は、例えばゴム製の板からなり、背面部材６２を透過した水素ガスＧ２を回収部７０に導く孔６３Ａ（流路）が径方向中央に形成されている。図６に示すように、背面部材６２及びメタルガスケット６４は大径溝３５内に収容されており、弾性部材６３は小径溝３５Ａ内に収容されている。弾性部材６３は厚さ方向に押し縮められており、その反力によって背面部材６２が水素ガス透過膜５０の下面に押し付けられている。また背面部材６２の外面（メタルガスケット６４の内面と対向する面）は、弾性部材６３の外面と面一である。

【0059】

図７は、水素ガス透過膜５０を透過した水素ガスＧ２が、背面部材６２の内部を通過する様子を模式的に示している。図７に示すように、水素ガス透過膜５０を透過した水素ガスＧ２は、背面部材６２の内部において径方向中央に向かって流れる。そして、背面部材６２内の径方向中央に集まった水素ガスＧ２が、弾性部材６３の孔６３Ａを通じてアンモニア分解装置２（図６）の外へ取り出される。

【0060】

以上の通り、本実施形態に係るアンモニア分解装置２によれば、背面部材６２の背面に弾性部材６３を設けることにより、弾性部材６３によって背面部材６２を背面側から押さえることができる。これにより、水素ガス透過膜５０のうち流路Ｒ１に対向する部分５１を押さえ面６１によってより確実に押さえることが可能になり、水素ガス透過膜５０の破れをより確実に抑制することができる。なお、実施形態１に記載の通り、弾性部材は本発明のアンモニア分解装置において必須の構成要素ではない。実施形態１のように弾性部材を採用しない場合には、水素ガス透過膜５０のうち流路Ｒ１に対向する部分５１が押さえ面６１によって確実に押さえられるように、背面部材６２の厚さや大径溝３５の深さ等を適宜調整することが好ましい。

【0061】

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３に係るアンモニア分解装置３の構成を、図８に基づいて説明する。実施形態３に係るアンモニア分解装置３は、基本的に実施形態２に係るアンモニア分解装置２と同様の構成を備え且つ同様の効果を奏するものであるが、背面部材６２の構成において異なっている。以下、実施形態２と異なる点についてのみ説明する。なお、図８において、実施形態２に対応する構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。

【0062】

実施形態３における弾性部材６３Ｂは、バネにより構成されており、小径溝３５Ａにおいて圧縮された状態で配置されている。背面部材６２は、弾性部材６３Ｂのバネ力を受けて上向きに付勢されており、その結果、押さえ面６１が水素ガス透過膜５０のうち流路Ｒ１に対向する部分５１の全体を上向きに押さえている。

【0063】

このように、実施形態３では、実施形態２のゴムに代えて、バネ等の部材全体に亘って水素ガスが通過可能な隙間を有する部材（孔を形成しなくても水素ガスが通過可能な部材）を弾性部材として採用することにより、背面部材６２を通過後の水素ガスＧ２が回収部７０までより流れ易くなる。このため、下フランジ３２内での水素ガスＧ２の滞留を抑制することができる。なお、バネに代えて金属製の綿等が弾性部材６３Ｂとして採用されてもよい。

【0064】

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態４に係るアンモニア分解装置の構成を、図９に基づいて説明する。実施形態４に係るアンモニア分解装置は、基本的に実施形態１に係るアンモニア分解装置１と同様の構成を備え且つ同様の効果を奏するものであるが、アンモニア処理部の構成において異なっている。以下、実施形態１と異なる点についてのみ説明する。なお、図９において、実施形態１に対応する構成要素には同じ参照符号を付し、その説明を省略する。

【0065】

図９は、実施形態４におけるアンモニア処理部４０の平面図である。アンモニア処理部４０の流路Ｒ１は、ガス入口４３と、ガス出口４４と、ガス入口４３とガス出口４４とを繋ぐ複数（図９の例では２つ）の微細流路Ｒ２とを含む。ガス入口４３及びガス出口４４は、いずれもアンモニア処理部４０の金属板を厚さ方向に貫通する。

【0066】

微細流路Ｒ２は、貫通部４７と非貫通部４８とを含む蛇行形状を有し、互いに沿うように形成されている。貫通部４７は金属板を厚さ方向に貫通するように形成されている一方、非貫通部４８は当該金属板の厚さ方向の一部が残るように（薄肉部を含むように）形成されている。図９に示すように、非貫通部４８は、微細流路Ｒ２の両端（ガス入口４３及びガス出口４４に繋がる部分）と微細流路Ｒ２の各屈曲部に設けられているが、その他の部分にさらに設けられていてもよい。

【0067】

アンモニア処理部４０は、プレート本体４６と、蛇行部４９とを含む。蛇行部４９は、２つの微細流路Ｒ２により挟まれた部分であり、非貫通部４８（薄肉部）を介してプレート本体４６に繋がっている。

【0068】

本実施形態に係るアンモニア分解装置では、複数の微細流路Ｒ２を設けることにより、アンモニアガスの処理量をより多く確保することができる。そして、各微細流路Ｒ２に非貫通部４８を設けることにより、微細流路Ｒ２により挟まれた蛇行部４９をプレート本体４６に対して安定に保持することができる。なお、実施形態２，３に係るアンモニア分解装置２，３において、複数の微細流路Ｒ２が設けられてもよい。

【0069】

今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。したがって、以下の実施形態も本発明の範囲に含まれる。

【0070】

実施形態１において、背面部材６２は、多孔質部材であると共に弾性部材であってもよい。この場合、例えばスチールウールやスポンジ等を背面部材６２の材料として採用することができる。

【0071】

下フランジ３２に代えて水素ガス透過膜５０が接地（グラウンド）されていてもよい。

【0072】

アンモニア処理部は金属板からなる場合に限定されず、例えばＳｉＯ２等の他の材料からなるものでもよい。しかし、金属板を用いることにより絶縁板２０を薄くすることが可能となり、誘電損を抑制することができる。また流路Ｒ１は蛇行形状に限定されず、例えば直線状等の他の形状とすることも可能である。

【0073】

実施形態１において、非貫通部４２が流路Ｒ１のうち屈曲部以外の部分にも設けられていてもよい。

【0074】

電極板１０は、絶縁板２０の内部に保持される場合に限定されず、図１０に示すように、電極板１０が絶縁板２０上に載置されていてもよい。この場合、例えば樹脂モールド等の方法により電極板１０の周囲の絶縁性が確保される。

【0075】

図１１に示すように、電極板１０は、絶縁板２０の内部において厚さ方向の中央よりもアンモニア処理部４０側（下面２１側）に位置していてもよい。これにより、電極板１０に電圧を印加した際に、絶縁板２０の上面２２における放電の発生を抑制することができる。

【符号の説明】

【0076】

１，２，３ アンモニア分解装置（第２アンモニア分解装置）
４ 第１アンモニア分解装置
９ アンモニア供給源
１０ 電極板
１１ 交流電源
２０ 絶縁板
３２ 下フランジ
３８ シール部材
４０ アンモニア処理部
４１，４７ 貫通部
４２，４８ 非貫通部
４３ ガス入口
４４ ガス出口
５０ 水素ガス透過膜
６１ 押さえ面
６２ 背面部材
６３，６３Ｂ 弾性部材
６３Ａ 孔（流路）
６４ メタルガスケット
７０ 回収部
８０ グリース
１００ 水素ガス製造システム
Ｇ０ アンモニアガス
Ｇ１ 混合ガス
Ｇ２ 水素ガス
Ｒ１ 流路
Ｒ２ 微細流路

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】